一种脱除异丙醇气体的方法和装置与流程

本发明涉及一种脱除异丙醇气体的方法和装置，属于异丙醇脱除领域。

背景技术：

异丙醇是石油化工发展史上从石油原料中制得的第一个化工产品，是一种重要的化工产品和原料，其广泛应用于涂料、医药、农药、化妆品及电子生产等工业中。但因其饱和蒸汽压较低，属于易挥发性有机化合物，在生产过程中大量挥发出来的异丙醇气体不仅造成了严重的环境污染，同时造成了极大的资源浪费。

塔设备是化工生产过程中最重要的设备之一，塔组件的性能对工艺过程的能耗/收率以及产品的质量等均有重大影响。目前工业上在异丙醇吸收工段中大量使用各种填料塔、板式塔等，这些设备中气液传质过程仅仅依靠重力作用实现，由于重力场较弱，液相流体在塔设备中以较厚流体层流动，气液有效接触面积较小，导致存在传质性能低、吸收率低、吸收液循环量大、需要建设多座高达数十米的吸收塔等才能达到分离要求，这使得企业生产成本、维修费用以及能耗越来越大。

异丙醇吸收液吸收异丙醇属于气膜控制体系。因此，在传质设备的设计和填料的开发上，应提高气相的湍动程度、增加气液有效接触面积等，以达到强化气相传质目的、提高吸收率。

超重力旋转填料床是一种新型化工过程强化设备。在地球上，通过旋转产生的离心力可实现超重力环境。在超重力环境下，不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程均比常规重力场下要快得多，气液两相在比地球重力场大数百倍甚至上千倍的超重力环境下的多孔介质或孔道中产生剧烈流动接触,巨大的剪切力将液体撕裂成微小的液膜、液丝和液滴，产生出巨大的相间接触面积,并且可实现相界面的快速更新，极大地提高了传递速率系数。因此，超重力旋转填料床作为脱除异丙醇的设备可以大大提高净化率，减少吸收液的循环量，降低生产建设费用和占地面积，进而降低脱除异丙醇的成本和能耗。

在旋转填料床中采用的填料通常是波纹丝网、网状金属、金属泡沫、拉西环等填料，虽然为气液接触提供了场所,但不能有效解决气、液两相均匀分布的问题,且对于有的反应来说存在气液接触不充分、接触时间短、阻力压降大等缺点，导致传质效果不理想、能耗过高。因此，填料精细结构的好坏直接影响传质效率的提高以及过程能耗的高低。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种脱除异丙醇气体的方法和装置，以3d打印的规整填料的镶嵌式旋转填料床为吸收设备，以异丙醇水溶液为吸收液，通过物理吸收法脱除异丙醇气体，吸收剂与异丙醇气体在3d打印规整填料的镶嵌式旋转填料床中以逆流方式接触吸收，实现深度脱除异丙醇气体，并得到较高浓度富液。

本发明基于强化气相剪切思想，增强气流扰动和增大气体与填料间的相对滑移速度，增大气液有效接触面积，设计了3d打印规整填料的镶嵌式旋转填料床，镶嵌式旋转填料床上、下填料盘分别安装两层3d打印规整填料环，一静一动，在径向交替排列，下层填料盘随电机同步转动，产生气液接触的超重力场，上层填料盘静止不动。当液体被喷洒到下填料盘内缘时，受到巨大的离心力作用，被高速旋转的填料切割成细小的液滴，此时的液滴也具有一定的切向速度，与下一层丝网碰撞的几率极大，在这个过程中，液体可能相互碰撞聚并后被其他丝网层切割，也可能直接与其他层丝网碰撞，还可能返溅后与丝网层碰撞雾化，不断重复此过程，液体就被撕裂成极薄的液滴液丝液膜，增大了气液接触面积。与此同时，气体在经过上一个高速旋转的填料环后，除了具有径向运动趋势外，依靠惯性具有和转子转动方向相同的周向运动趋势，沿径向由外向内通过下一个填料环的翅片结构时，会受到翅片结构的阻滞，与填料间的相对滑移速度增加，削弱了气体的周向运动趋势，进而增加了对气体的扰动和剪切作用，降低了气膜阻力，强化了气相传质。被净化后的异丙醇气体经旋转除雾器消除气体中的雾沫夹带后由排气口进入净化气工段，完成吸收后的吸收液在旋转填料床壳体收集聚拢，由排液口排出。

本发明提供了一种脱除异丙醇气体的方法，包括以下步骤：

将异丙醇气体与吸收液通过3d打印规整填料的镶嵌式旋转填料床逆流接触，在高速旋转的3d打印规整填料的剪切作用下完成异丙醇气体的脱除；控制参数如下：

液气体积流量比为：100～200；

镶嵌式旋转填料床转子的转速为：100～1800r/min；

吸收液为：异丙醇水溶液；

吸收压力为：0.1～2mpa；

吸收温度为：20～100℃；

上述方法的具体过程为：吸收液从进液管进入环形液体分布器，均匀地喷洒在高速旋转的3d打印规整填料的下填料盘内缘，沿径向由填料内缘向填料外缘运动，被动静交替相间的3d打印规整填料环剪切成液丝、液滴、液膜；

同时，进气管通入异丙醇气体，气体首先受到上填料盘外缘静止填料环的均匀分布，向内缘相邻的高速旋转的下层填料环运动，受到高速旋转的下层填料环的剪切作用，然后再次通过静止填料环外侧翅片结构时，气体沿径向旋转的趋势以及依靠惯性具有和转子转动方向相同的周向运动趋势被消除或减弱，气体湍动程度增大，最后重新分布的气体继续向内缘运动，再次受到高速旋转的下盘填料环的高速剪切，气体被动静相间的填料环层层剪切后有效地减小了气膜传质阻力，增大了气相湍动程度，气液整体上呈逆流接触；最后经旋转除雾器消除气体中的雾沫夹带后由排气口排出，完成吸收过程的吸收液在旋转填料床壳体收集聚拢，从排液口排出，实现了单台设备多次吸收净化的功能，提高了吸收富液的浓度。

本发明提供了一种脱除异丙醇气体的装置，包括3d打印规整填料的镶嵌式旋转填料床，镶嵌式旋转填料床壳体侧面设有进气管和进液管，分别通入异丙醇气体和吸收液，壳体顶部设有气体出口，与净化气工段相连，底部设有排液口，用于排出吸收液，进液口与泵相连，排液口与富液槽相连；

所述3d打印规整填料的镶嵌式旋转填料床包括旋转除雾器、旋转填料床壳体、3d打印规整填料、环形液体分布器与再分布器、转轴和填料转子，填料转子由固定不动的上填料盘和独立旋转的下填料盘构成，上填料盘与旋转填料床壳体的上盖板通过圆筒固定，该圆筒上端连接上盖板，下端连接上填料盘顶部，下填料盘与转轴连接，转轴下端连接调频电机，填料转子中心设有环形液体分布器，环形液体分布器侧面与进液管相连；

上述装置中，所述的镶嵌式旋转填料床壳体内部大致分为两个连通空间，填料转子上方、圆筒内侧为集气室，与旋转除雾器相通；填料转子下方为主腔室，与排液口相通；所述转轴为实心轴，转轴设置于壳体的中心，上端与旋转除雾器相连，下端与调频电机相连，中间与下填料盘相连，通过电机带动旋转除雾器和下填料盘高速旋转。

上述装置中，所述的进液管位于镶嵌式旋转填料床壳体两侧，与环形液体分布器连接，可两侧同时进液，也可单向进液。

上述装置中，所述的旋转除雾器位于旋转填料床上部，底部接集液槽，旋转除雾器与转轴连接，由电机带动旋转；旋转除雾器内填料的类型和材质不受限制。

上述装置中，所述的环形液体分布器包括环形管、支流管，环形管与进液管相连接，所述的支流管垂直于环形管并沿环形管均匀设置2～6个，方向伸进填料转子中心内侧，环形管、支流管外侧为填料转子，每根支流管的管壁上均匀开有若干孔；

所述孔为圆形孔或格栅孔；孔的数目由液体流量和流速确定。

上述装置中，所述再分布器包括集液槽、导流管，所述集液槽位于旋转除雾器的底部，与旋转床壳体内壁相接，集液槽通过导流管与固定不动的上填料盘内侧相连；除雾器内甩出的液体经壳体收集流入集液槽内，沿导流管流向填料转子中心；进一步的，所述的集液槽为圆环形，其截面由环形薄板、内圆筒、旋转床壳体内壁组成的u形槽，集液槽位于旋转床壳体内侧，环形薄板垂直于壳体内壁并焊接在壳体内壁上，供收集除雾器中的液体；所述的内圆筒是与壳体同心的圆筒，内圆筒与环形薄板焊接为一体；内圆筒高度由吸收液流量确定，收集液体的量不能超过该圆筒的高度。进一步地，所述的导流管是圆形管，设置在集液槽下方，均匀设置2～8个，沿集液槽圆周方向均匀斜向下朝圆心方向设置并与上填料盘内侧相连；所述导流管的直径由吸收液流速确定，吸收液流速控制在0.01～2m/s。

上述装置中，所述的上、下填料盘上分别开有多圈凹槽，将3d打印规整填料置于凹槽内，通过螺栓与填料盘固定，防止气体“短路”；由内径向外径，分别安装两层规整填料环，一静一动，交替相间，环环相扣，相邻两环之间留有间隙。

上述装置中，所述3d打印规整填料由规整丝网结构和翅片结构共同组成；所述填料为环形，以规整丝网结构为主，外侧设有翅片结构。所述的规整丝网结构的立体构型是：沿径向设置若干层环环相切的丝网，每一层丝网均是若干个立方体围成的圆环，立方体的面对角线、体对角线之间相互连接形成三维空间上的三角形，且规则的气液通道提高了填料的利用率，促使气液均匀分散，并降低阻力；为了保证均匀一致的气液流通通道，相邻丝网层之间错开了15～45°，增加了液体与填料碰撞的几率；所述的翅片结构的立体构型是：丝网或板片状弯曲形成的弧片装配在丝网结构的外缘，形似扇叶片结构，其弯曲的方向与转子的转动方向相反。

进一步地，所述的规整丝网结构沿径向的厚度为20～50mm；沿丝网结构中轴线对称开两个孔，便于用螺栓与填料盘固定，孔径为2～3mm。

进一步地，所述的翅片结构的单元弧片是通过丝网或板片状弯曲10～50°构成的，弧长为30～80mm，相邻弧片之间的间距为10～40mm，沿径向厚度为5～20mm。

本发明的创新性主要体现在：①装置的创新：设计镶嵌式旋转填料床的优势在于：一是对液体和气体同时实现高剪切和扰动，进一步强化气液传质过程，特别对于气膜控制的传质过程，且填料少，喷淋密度小等特点，可降低吸收液循环流量和能耗；二是本装置体积更小，投资省，开停车方便、灵活，维修费用低等。

②填料的创新：针对传统填料对于气膜控制体系的传质过程强化作用不明显，以及填料的非几何对称、动平衡性差，存在大量不规则通道和盲孔道，填料利用率，易堵塞，不易维修更换等问题，本发明采用3d打印规整填料，构建了规整且交错的气液相通道，增加了气相和液相的湍动程度和充分分散，实现了气体与液体的充分接触，利用镶嵌填料层还可进一步对气体和液体实现高速剪切和扰动，有效地减少了气膜传质阻力，强化了气液传质过程，提高了吸收率，无盲孔道可提高填料利用率，降低了气相压降。

③工艺的创新：将超重力技术运用到传统的异丙醇气体净化工段中，解决了异丙醇气体吸收率低、富液浓度不够高等问题，提高了异丙醇气体的脱除率，降低了处理后气体中异丙醇浓度，缩减了异丙醇气体后续处理难等问题，具有较强的工程实际应用意义和节能环保意义。

本发明的有益效果：

（1）本发明采用镶嵌式旋转填料床作为脱除异丙醇设备，以异丙醇水溶液作为吸收剂。异丙醇水溶液是一种无毒、无味、不污染环境的溶液，具有良好的化学稳定性和热稳定性，在使用条件下不发生反应，且在工况温度下，异丙醇在水溶液中的溶解度服从亨利定律，随着压力升高、温度升高而降低等优点；

（2）本发明采用3d打印规整填料，填料总体为圆周对称，密度一致，重量轻，动平衡性能好，制造周期短，易于更换，具有分布均匀的气液相通道，有利于改善气液相分布以及降低气相压降；具有较大的有效比表面积和极高的填料利用率，能够提供极大的气液接触面积和界面更新速率，使得传质效率和吸收率大大提高；

（3）异丙醇水溶液吸收异丙醇属于气膜控制体系。采用3d打印规整填料的镶嵌式旋转填料床作为只收设备，提高了气膜传质系数，增加了气液两相有效接触面积，使气液两相快速充分的混合；吸收液循环量大大减少，同时设备体积大幅度缩小，降低了投资和运行成本；

（4）本发明可以强化气膜控制过程，适合处理醇类等挥发性有机气体和一些有毒、有害恶臭气体等；

（5）该工艺流程简单，占地面积小，循环液量少，设备投资少，运行成本低，处理效率高；开停车方便，仅需几分钟整个工艺流程便可稳定运行，容易实现工业化应用。

附图说明

图1为镶嵌式旋转填料床的结构示意图；

图2为3d打印规整填料的俯视图；

图3为翅片结构的单元弧片示意图；

图4为图1中沿a-a线的剖面图；

图5为图1中沿b-b线的剖面图；

图6为环形液体分布器的俯视图；

图7为液体再分布器的俯视图；

图8为本发明用于吸收异丙醇气体的工艺流程示意图。

图中：1-调频电机；2-转轴；3-排液口；4-壳体；5-进气管；6-进液管；7-圆筒；8-导流管；9-集液槽；10-旋转除雾器；11-气体出口；12-内圆筒；13-环形液体分布器；14-集气室；15-支流管；16-上填料盘；17-3d打印规整填料；18-下填料盘；19-主腔室；20-贫液槽；21-水泵；22-流量计；23-鼓风机；24-富液槽；25-镶嵌式旋转填料床；26-螺栓孔；27-规整丝网结构；28-翅片结构；a-含异丙醇尾气。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

如图1-8所示，一种脱除异丙醇气体的装置，包括3d打印新型规整填料的镶嵌式旋转填料床25，镶嵌式旋转填料床壳体4侧面设有进气管5和进液管6，通入异丙醇气体和吸收液，壳体顶部设有气体出口11，与净化气工段相连，底部设有排液口3，用于排出吸收液，进液管6与水泵21相连，排液口3与富液槽24相连。

所述3d打印新型规整填料的镶嵌式旋转填料床包括旋转除雾器10、旋转填料床壳体4、3d打印规整填料17、环形液体分布器13与再分布器、转轴2和填料转子，填料转子由固定不动的上填料盘16和独立旋转的下填料盘18构成，上填料盘16顶部用圆筒7与旋转填料床壳体的上盖板固定，下填料盘18与转轴2连接，转轴下端连接调频电机1，填料转子中心设有环形液体分布器13，环形液体分布器侧面与进液管6相连。

上述装置中，所述的镶嵌式旋转填料床壳体内部大致分为两个连通的空间，填料转子上方、圆筒内侧为集气室14，与旋转除雾器相通；填料转子下方为主腔室19，与排液管相通；所述转轴2为实心轴，转轴设置于壳体的中心，上端与旋转除雾器10相连，下端与调频电机1相连，中间与下填料盘18相连，通过电机带动旋转除雾器和下填料盘高速旋转。

上述装置中，所述的进液管6位于镶嵌式旋转填料床壳体两侧，与环形液体分布器连接；

本实施例中进液管设有两个，可两侧同时进液，也可单向进液。

上述装置中，所述的旋转除雾器10位于旋转填料床上部，底部接集液槽9，旋转除雾器10与转轴2连接，由调频电机1带动旋转；旋转除雾器10内装有散堆填料或规整填料，填料的类型和材质不受限制。

上述装置中，所述的环形液体分布器包括环形管13、支流管15，环形管与进液管相连接，所述支流管垂直于环形管并沿环形管均匀设置2根，方向伸进填料转子中心内侧，环形管、支流管外侧为填料转子，每根支流管的管壁上均匀开有若干孔；所述孔为圆形孔或格栅孔；孔的数目由液体流量和流速确定。

所述再分布器包括集液槽9、导流管8，所述集液槽位于旋转除雾器10下部，与旋转床壳体4内壁相接，集液槽通过导流管与固定不动的上填料盘16内侧相连；除雾器内旋流甩出的液体经壳体收集流入集液槽9内，沿导流管8流向填料转子中心；

进一步地，所述的集液槽9为圆环形，其截面由环形薄板、内圆筒12、旋转床壳体4内壁组成的u形槽，集液槽位于旋转床壳体内侧，垂直于壳体内壁并焊接在壳体内壁上，供收集除雾器中雾沫夹带的液体；所述的内圆筒12是与壳体同心的圆筒，内圆筒与环形薄板焊接为一体。

上述装置中，所述的内圆筒高度由吸收液流量确定，收集液体的量不能超过该圆筒的高度。

上述装置中，所述的导流管8是圆形管，直径由吸收液流速确定，且流速控制在0.01～2m/s，设置在集液槽下方；本实施例中导流管均匀设置3个，沿集液槽圆周方向均匀斜向下朝圆心方向设置并与上填料盘16内侧相连；

上述装置中，所述的上、下填料盘上分别开有多圈凹槽，将3d打印规整填料置于凹槽17内，通过螺栓与填料盘固定，防止气体“短路”；由内径向外径，分别安装两层规整填料环，一静一动，交替相间，环环相扣，相邻两环之间留有间隙。

上述装置中，所述3d打印新型规整填料由规整丝网结构和翅片结构共同组成；所述填料为环形，以规整丝网结构为主，外侧设有翅片结构。

所述的规整丝网结构的立体构型是：沿径向设置若干层环环相切的丝网，每一层丝网均是若干个立方体围成的圆环，立方体的面对角线、体对角线之间相互连接形成三维空间上的三角形，充分利用了三角形的稳定性，且规则的气液流通通道提高了填料的利用率；为了保证均匀一致的气液流通通道，相邻丝网层之间错开了15～45°，增加了液体与填料碰撞的几率。

上述装置中，所述的翅片结构的立体构型是：丝网或板片状弯曲形成的单元弧片装配在丝网结构的外缘，形似扇叶片结构，其弯曲的方向与转子的转动方向相反。

上述装置中，所述的规整丝网结构沿径向的厚度为20～50mm。沿丝网结构中轴线对称开两个螺栓孔26，便于用螺栓与填料盘固定，孔径为2～3mm。

上述装置中，所述的翅片结构的单元弧片是通过丝网或板片状弯曲10～50°构成的，弧长为30～80mm，相邻弧片之间的间距为10～40mm，沿径向厚度为5～20mm。

工作状态下，气液接触的方式是穿过3d打印新型规整填料逆向接触；液体被均匀地喷洒到3d打印新型规整填料内缘时，受到巨大的离心力作用，被切割成细小的液滴，此时的液滴也具有一定的切向速度，与下一层丝网碰撞的几率极大，在这个过程中，液体可能相互碰撞聚并后被其他丝网层切割，也可能直接与其他层丝网碰撞，还可能返溅后与丝网层碰撞雾化，不断重复此过程，液体就被撕裂成极薄的液滴、液丝和液膜，极大地增大了气液接触面积。

具体操作步骤如下：开启电机1，调节至合适转速，开启贫液泵21，调节流量计22控制吸收液流量，吸收液经环形液体分布器均匀喷洒在3d打印新型规整填料内缘，在巨大的离心力作用下沿填料内缘向外缘运动，异丙醇气体a由气体进口6通入镶嵌式旋转填料床25中，在压力的作用下由填料层外缘向内缘运动，气液两相以逆流方式剧烈混合，在此过程中，液体被撕裂成毫米至纳米级别的液丝、液滴和液膜，并以很快的界面更新速率完成异丙醇气体的吸收，吸收后的气体经旋转除雾器10消除雾沫夹带后进入净化气工段，吸收液由旋转填料床壳体4收集聚拢，从液体出口3流入异丙醇富液槽24。富液槽中的异丙醇液体进入蒸馏塔被回收利用。

实施例：

开启电机，调节3d打印新型规整填料的镶嵌式旋转填料床转子到800r/min，开启贫液泵，调节液体流量计控制吸收剂流量为150l/h，吸收剂从液体进口进入镶嵌式旋转填料床，将浓度为16000ppm的异丙醇气体由气体进口通入镶嵌式旋转填料床，调节气量为40m³/h，液体经环形液体分布器均匀分布喷入3d打印新型规整填料内缘，在巨大的离心力作用下沿填料内缘向外缘运动，含异丙醇的气体与吸收液在3d打印新型规整填料内逆流接触，吸收异丙醇气体，完成吸收后，从气体出口出来的净化气体通入净化气工段，吸收剂从液体出口排出。采用气相色谱检测仪分析气体出口处的异丙醇浓度，测得出口气体异丙醇浓度为960ppm。